不同堿源對(duì)合成MgAl-LDHs 的結(jié)構(gòu)及除氯性能的影響

易春健 劉淑賢 黃 宏 聶軼苗 王 玲 王 龍

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210)

隨著采礦、石油化工、冶金、化學(xué)制藥等行業(yè)的快速發(fā)展,工業(yè)廢水排放量逐年升高,對(duì)人類生存環(huán)境造成潛在威脅[1]。 目前,在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域,廢水處理的關(guān)鍵就在于高鹽廢水的處理。 而其中最突出的問(wèn)題之一就是氯離子濃度過(guò)高,現(xiàn)有處理工藝較難去除[2]。 水體中的高濃度氯離子的危害主要有影響動(dòng)植物和微生物的生長(zhǎng)、腐蝕金屬工業(yè)設(shè)備、縮短建筑材料的服役壽命等,因此含氯廢水的處理一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。 吸附法是去除廢水中氯離子的有效方法,盡管在以往的研究中開(kāi)發(fā)了幾種吸附劑,包括沸石[3]、改性粉煤灰[4]、殼聚糖[5]、樹(shù)脂[6]等,但由于這些材料的吸附容量低、吸附反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),仍需要開(kāi)發(fā)具有高吸附性能的材料。

類水滑石具有二價(jià)和三價(jià)陽(yáng)離子與陰離子夾層的獨(dú)特層狀結(jié)構(gòu),相比于沸石、改性粉煤灰等吸附劑,不但具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性與陰離子交換能力,而且還可通過(guò)其“記憶效應(yīng)”回收重復(fù)利用,因此可作為水中陰離子的極佳吸附劑[7]。 此外,類水滑石的制備過(guò)程可以完美調(diào)控,這一特性對(duì)其在含氯廢水處理中具有重要意義[8]。 類水滑石的制備方法有共沉淀法[9]、水熱法[10]、成核晶化法[11]等,其中共沉淀法使用最為廣泛,江曉[12]采用共沉淀法制備了鎂鋁類水滑石,其中硝酸根插層的鎂鋁類水滑石對(duì)氯離子吸附容量達(dá)到32.32 mg/g。 張萬(wàn)有等[13]通過(guò)共沉淀法制備了鎂鋁鐵三元類水滑石,并將其負(fù)載于斜發(fā)沸石上,焙燒后的類水滑石對(duì)氯離子吸附容量可達(dá)36.8 mg/g。 然而,有研究發(fā)現(xiàn)[14-15],水熱法合成的晶體結(jié)晶度和比表面積均高于共沉淀法,歸因于水熱法在封閉條件下進(jìn)行反應(yīng),不會(huì)引入雜質(zhì)離子,因此采用水熱法制備類水滑石除氯具有較好的可行性[16],而采用水熱法制備類水滑石對(duì)其結(jié)構(gòu)及除氯性能的影響研究十分有限。 水熱法最常用的堿源為尿素和氫氧化鈉,其中尿素受熱易分解,可能會(huì)對(duì)合成的類水滑石結(jié)構(gòu)及除氯性能有影響,因此研究這2 種堿源對(duì)合成類水滑石結(jié)構(gòu)及除氯性能的影響很有必要。

為了探究不同堿源對(duì)水熱法制備類水滑石結(jié)構(gòu)及除氯性能的影響,本文以尿素、氫氧化鈉為堿源,通過(guò)水熱法制備了2 種類水滑石,采用XRD、SEM、N2吸附-脫附、傅立葉變換紅外光譜等分析方法對(duì)2 種類水滑石的微觀形貌進(jìn)行了表征;通過(guò)吸附動(dòng)力學(xué)方程、吸附等溫模型和吸附前后的XRD 和傅立葉變換紅外光譜對(duì)比考察了2 種類水滑石對(duì)氯離子的吸附性能和除氯機(jī)理。 研究表明,以氫氧化鈉為堿源,通過(guò)水熱法制備的類水滑石吸附容量可達(dá)67. 58 mg/g,遠(yuǎn)超過(guò)共沉淀法制備的類水滑石。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試劑和儀器

Mg(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、CO(NH2)2、NaOH、NaCl、HNO3,均為購(gòu)于麥克林公司的分析純?cè)噭?D/MAX2500PC 型X 射線衍射儀,日本理學(xué)株式會(huì)社;JW-BK112 型比表面積及孔徑分析儀,北京精微高博儀器有限公司;Scios 型聚焦離子束場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,FEI 捷克有限公司;Thermo Scientific Nicolet iS20 傅里葉變換紅外光譜儀,美國(guó)賽默飛世爾公司;PCL-1 型氯離子濃度計(jì),上海盛磁儀器有限公司;PHS-25 型pH 計(jì),上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。 含氯模擬廢水:采用NaCl 配制。

1.2 類水滑石的制備

采用水熱法分別制備不同堿源的類水滑石,具體步驟為:按n(Mg2+)∶n(Al3+)= 3 ∶1(Mg2+濃度為0.5 mol/L)將Mg(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O 混合溶于50 mL 去離子水中得到溶液A。 按n(尿素) ∶n(NO-3)= 2 ∶1 將尿素溶于50 mL 去離子水中得到溶液B1,按n(NaOH):n(NO-3)= 2 ∶1 將NaOH 溶于50 mL 去離子水中得到溶液B2。 將溶液A 與溶液B1、B2分別混合后加入到燒杯中,在60 ℃下磁力攪拌30 min,將攪拌好的溶液轉(zhuǎn)移到內(nèi)襯為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中,放入烘箱,在100 ℃下恒溫晶化18 h,將反應(yīng)釜取出并冷卻至室溫。 將所得沉淀抽濾,同時(shí)用去離子水沖洗至中性,在80 ℃下干燥8 h 得到2 種產(chǎn)物,以尿素為堿源記作LDHs-A,以NaOH 為堿源記作LDHs-B。

1.3 類水滑石的表征

采用XRD、SEM、N2吸附-脫附、傅立葉變換紅外光譜等分析方法對(duì)類水滑石進(jìn)行表征。

1.4 氯離子吸附試驗(yàn)

在2 個(gè)盛有100 mL 一定濃度氯化鈉溶液的錐形瓶中,分別加入一定質(zhì)量的LDHs-A 和LDHs-B。 將上述錐形瓶放在磁力攪拌器上,在30 ℃下以200 r/min 的攪拌速率攪拌一定時(shí)間后過(guò)濾,取上清液,用氯離子濃度測(cè)定儀測(cè)定上清液氯離子質(zhì)量濃度,并分別按式(1)、式(2)計(jì)算得到氯離子吸附量和氯離子去除率。

式中,q為單位質(zhì)量類水滑石對(duì)氯離子的吸附量,mg/g;C0為氯離子的初始質(zhì)量濃度,mg/L;Ce為吸附后氯離子的質(zhì)量濃度,mg/L;V為溶液體積,L;m為類水滑石質(zhì)量,g;Y為氯離子去除率,%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 類水滑石的表征

2.1.1 XRD 分析

圖1 為L(zhǎng)DHs-A 和LDHs-B 的XRD 圖譜。

由圖1 可知,2 種類水滑石的衍射峰基線都比較平穩(wěn),峰形較窄且尖銳,無(wú)明顯雜峰,代表類水滑石層狀結(jié)構(gòu)的特征衍射峰(003)峰形尖銳,強(qiáng)度較強(qiáng),說(shuō)明2 種類水滑石的結(jié)晶度較高,結(jié)晶相單一,晶體結(jié)構(gòu)完整。 其中,LDHs-A 在(003)衍射峰處的強(qiáng)度比LDHs-B 的強(qiáng),說(shuō)明以尿素為堿源得到的類水滑石具有更好的結(jié)晶度,晶體發(fā)育更好。 分析認(rèn)為尿素受熱分解緩慢釋放氨,使得溶液內(nèi)部pH 值保持恒定,有利于晶體的生長(zhǎng)[17]。 從圖1 可以看出,LDHs-A 在2θ=11. 67°、23. 51°、34. 92°、39. 48°、47. 06°、60. 87°、62.21°左右出現(xiàn)7 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的特征衍射峰,分別對(duì)應(yīng)(003)、(006)、(012)、(015)、(018)、(110)、(113)晶面,而LDHs-B 在2θ=11.14°、22.42°、34.12°左右出現(xiàn)3 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的特征衍射峰,分別對(duì)應(yīng)(003)、(006)、(009)晶面。

可以發(fā)現(xiàn),LDHs-B 的特征衍射峰比LDHs-A 整體均往低角度偏移,其中特征峰(003)代表著類水滑石的層間距,根據(jù)布拉格(公式(3)),計(jì)算得到LDHs-B 的層間距為0.794 nm,而LDHs-A 的層間距為0.762 nm。

式中,d為晶面間距;θ為入射線,°;λ為波長(zhǎng),0.154 056 nm;n為反射級(jí)數(shù),一般取1。

硝酸根插層鎂鋁類水滑石層間距為0.80 nm 左右[18],而碳酸根插層鎂鋁類水滑石層間距為0. 76 nm 左右[19-20]。 將LDHs-A 與碳酸根插層類水滑石標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片(#89-0460)對(duì)比,LDHs-B 與硝酸根插層類水滑石標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片(#50-1892)對(duì)比,特征衍射峰位置一致。 因此,分析認(rèn)為L(zhǎng)DHs-A 為碳酸根插層鎂鋁類水滑石,LDHs-B 為硝酸根插層鎂鋁類水滑石,LDHs-A 的碳酸根來(lái)源是尿素分解產(chǎn)生的二氧化碳。

2.1.2 SEM 分析

圖2 為L(zhǎng)DHs-A 和LDHs-B 的掃描電鏡圖。

從圖2 可以看出,2 種材料均有明顯的層狀結(jié)構(gòu),LDHs-A 為花瓣?duì)钇瑢佣逊e的結(jié)構(gòu)(圖2(a)),LDHs-B 為松散堆砌的蜂窩狀結(jié)構(gòu)(圖2(c)),LDHs-A 的顆粒形狀近似于六邊形(圖2(b)),而LDHs-B的顆粒形狀則更接近橢圓形(圖2(d))。 LDHs-A 和LDHs-B 晶粒尺寸分別為1 000～2 000 nm、200～400 nm,LDHs-A 的晶粒尺寸明顯比LDHs-B 的晶粒尺寸大,這進(jìn)一步說(shuō)明,以尿素為堿源可以獲得結(jié)晶度更高、晶粒尺寸更大的類水滑石。

2.1.3 N2 吸附-脫附等溫線和孔徑分布

圖3 為2 種樣品的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布圖。

圖3 LDHs-A 及LDHs-B 的N2 吸附-脫附等溫線和孔徑分布圖Fig.3 N2 adsorption-desorption isotherm and pore size distribution of LDHs-A and LDHs-B

由圖3 可以看出,LDHs-A 和LDHs-B 的吸附等溫線都屬于Ⅳ型帶有H3 型的滯后環(huán),分析認(rèn)為2 種材料均為介孔材料[21]。 通過(guò)BET 測(cè)得LDHs-A 和LDHs-B 的比表面積分別為40.804、62.609 m2/g,其中LDHs-B 的比表面積更大,歸因于LDHs-B 晶粒尺寸更小,小的晶粒使晶粒間堆積的孔隙密度增多,從而導(dǎo)致比表面積增大[22]。 由孔徑分析圖可以看出,2種類水滑石孔徑都較小,分布在2～35 nm 之間。LDHs-A 的孔徑分析圖有2 個(gè)峰,說(shuō)明孔徑主要分布有2 個(gè)尺寸,分別為3.45 nm 和2.08 nm,最可幾孔徑為3.45 nm,而LDHs-B 的孔徑主要分布在2.22 nm,最可幾孔徑為2.22 nm。

2.1.4 FTIR 分析

采用傅里葉變換紅外光譜分析了LDHs-A 和LDHs-B 的表面官能團(tuán),測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 LDHs-A、LDHs-B 的傅立葉變換紅外圖譜Fig.4 Fourier transform infrared spectra of LDHs-A and LDHs-B

分析圖4 可知,750～400 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰歸因于類水滑石層板陽(yáng)離子(Mg—O、Al—O)的晶格振動(dòng)和層板金屬陽(yáng)離子與氧原子之間化學(xué)鍵的彎曲和伸縮振動(dòng)吸收峰。 LDHs-A 在3 447、1 633、784 cm-1處,LDHs-B 在3 483、1 641、665 cm-1處均出現(xiàn)較寬的吸收峰,是由H2O 分子中—OH 的伸縮振動(dòng)引起的,這表明晶粒表面富含羥基,且層間存在H2O 分子[23]。 由于層間陰離子不同,層間H2O 分子和層間陰離子與金屬層板上羥基的氫鍵作用力大小的不同,導(dǎo)致2 種樣品羥基的伸縮振動(dòng)峰位置不同。 LDHs-A在1 353 cm-1處的峰歸屬于CO2-3 伸縮振動(dòng)峰,表明了層間碳酸根離子的存在。 LDHs-B 在1 370 cm-1處的峰歸屬于層間硝酸根的振動(dòng)吸收峰,證明了其層間陰離子為硝酸根離子。

2.2 類水滑石的除氯性能及作用機(jī)理

2.2.1 類水滑石投加量對(duì)氯離子去除效果的影響

分別取一定質(zhì)量的LDHs-A 和LDHs-B,放入100 mL 初始氯離子質(zhì)量濃度為500 mg/L 的氯化鈉溶液中,在反應(yīng)溫度為30 ℃、振蕩時(shí)間為6 h 的條件下,類水滑石投加量對(duì)氯離子去除效果的影響見(jiàn)圖5。

圖5 LDHs-A、LDHs-B 加入量對(duì)氯離子去除效果的影響Fig.5 Influence of LDHs-A and LDHs-B dosage on chloride ions removal effect

從圖5 可以看出,LDHs-B 的除氯效果較LDHs-A的除氯效果好,LDHs-A 到達(dá)平衡時(shí)對(duì)氯離子的去除率為43.8%,而LDHs-B 到達(dá)平衡時(shí)對(duì)氯離子的去除率為81.6%。 隨著類水滑石投入量的增加,氯離子去除率逐漸增加,當(dāng)類水滑石加入量超過(guò)12 g/L 時(shí),增加速率減緩,而氯離子的吸附量一直在下降。 這是因?yàn)殡S著類水滑石投入量的增加,總吸附點(diǎn)位也逐漸增加,所以氯離子去除率逐漸增加,但溶液中氯離子的總量是有限的,更多的吸附位點(diǎn)未被氯離子占據(jù),導(dǎo)致氯離子吸附量降低[24]。 繼續(xù)增加類水滑石投入量,氯離子去除率增加趨緩?fù)瑫r(shí)氯離子吸附量仍快速降低,因此后續(xù)試驗(yàn)選定類水滑石加入量為12 g/L。

2.2.2 溶液初始pH 對(duì)氯離子去除率的影響

分別取1.2 g 的LDHs-A 和LDHs-B,放入100 mL初始氯離子質(zhì)量濃度為500 mg/L 的氯化鈉溶液中,在反應(yīng)溫度為30 ℃、振蕩時(shí)間為6 h 的條件下,通過(guò)稀HNO3和NaOH 溶液調(diào)節(jié)溶液初始pH,溶液初始pH 對(duì)氯離子去除率的影響見(jiàn)圖6。

圖6 溶液初始pH 對(duì)氯離子去除效果的影響Fig.6 Influence of initial pH of solution on chloride ion removal effect

由圖6 可知,當(dāng)pH=7 時(shí),LDHs-A 和LDHs-B 對(duì)溶液中氯離子的去除率最大,分別為44.2%、81.2%。當(dāng)pH<7 時(shí),類水滑石對(duì)氯離子的去除率下降,分析認(rèn)為是類水滑石層板在酸性環(huán)境下發(fā)生部分溶解導(dǎo)致,而LDHs-B 較LDHs-A 受影響更大,這是因?yàn)榧尤氲南NO3使得溶液中NO-3增多,抑制了層間NO-3將Cl-從溶液中交換出來(lái)。 當(dāng)pH>7 時(shí),類水滑石對(duì)氯離子的去除率驟降,分析認(rèn)為溶液中的OH-與Cl-形成了競(jìng)爭(zhēng)吸附,因此后續(xù)試驗(yàn)中不需要調(diào)節(jié)pH。

2.2.3 吸附動(dòng)力學(xué)

分別取1. 2 g 的LDHs-A 和LDHs-B,放入100 mL 初始氯離子質(zhì)量濃度為500 mg/L 的氯化鈉溶液中,控制反應(yīng)溫度為30 ℃,測(cè)定不同吸附時(shí)間溶液中的氯離子質(zhì)量濃度并計(jì)算吸附量,得到吸附動(dòng)力學(xué)曲線,如圖7 所示。

由圖7 可以看出,LDHs-A 在60min 時(shí)已經(jīng)達(dá)到吸附平衡,而LDHs-B 在350 min 時(shí)才達(dá)到吸附平衡。

為了深入探究LDHs-A 和LDHs-B 吸附氯離子的動(dòng)力學(xué)特征,采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(式(4))和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(式(5))分別對(duì)LDHs-A 和LDHs-B 吸附溶液中氯離子的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖7 及表1 所示。

表1 吸附動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 1 Adsorption kinetics model parameters

式中,k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù),min-1;k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù),g/(mg·min);qe、qt分別是平衡時(shí)和反應(yīng)時(shí)LDHs-A 和LDHs-B 對(duì)氯離子的吸附量,mg/g;t為反應(yīng)時(shí)間,min。

結(jié)果表明,LDHs-A 對(duì)溶液中氯離子的吸附過(guò)程更符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,說(shuō)明LDHs-A 的吸附速率主要受物理吸附控制;LDHs-B 對(duì)溶液中氯離子的吸附過(guò)程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,說(shuō)明LDHs-B 的吸附速率主要受化學(xué)吸附控制[25]。 分析認(rèn)為氯離子比碳酸根離子更容易被交換,因此LDHs-A 對(duì)氯離子的去除主要是表面物理吸附,而硝酸根離子比氯離子更容易被交換,因此LDHs-B 對(duì)氯離子的去除主要是層間離子交換,主要為化學(xué)吸附。

2.2.4 吸附等溫線

分別取10 組質(zhì)量為1.2 g 的LDHs-A 和LDHs-B,配制氯離子初始質(zhì)量濃度為20、50、100、200、300、500、800、1 000、1 200、1 500 mg/L 的氯化鈉溶液各100 mL,控制反應(yīng)溫度為30 ℃、反應(yīng)時(shí)間為350 min,進(jìn)行吸附試驗(yàn),得到吸附等溫線,對(duì)所得數(shù)據(jù)分別用Langmuir 吸附等溫模型(式(6))和Freundlich 吸附等溫模型(式(7))進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖8 及表2所示。

表2 吸附等溫模型參數(shù)Table 2 Adsorption isothermal model parameters

圖8 LDHs-A、LDHs-B 對(duì)氯離子的吸附等溫線Fig.8 Adsorption isotherms curves of LDHs-A and LDHs-B for chloride ions

式中,qe為平衡吸附量,mg/g;Ce為吸附平衡時(shí)溶液濃度,mg/L;kF為Freundlich 吸附常數(shù),mg/g;qmax為飽和吸附量,mg/g;b為L(zhǎng)angmuir 吸附常數(shù),L/mg。

結(jié)果表明,LDHs-A 和LDHs-B 的Langmuir 模型相關(guān)系數(shù)R2分別為0.99 和0.98,均大于Freundlich模型的相關(guān)系數(shù)R2,表明這2 種材料的吸附過(guò)程主要為單層吸附。 Freundlich 模型的相關(guān)系數(shù)也比較高,1/n介于0.1～0.5 之間,說(shuō)明2 種材料都容易發(fā)生吸附[26],且LDHs-B 的1/n為0.384,比LDHs-A 的0.505 小,說(shuō)明LDHs-B 比LDHs-A 更容易發(fā)生吸附。分析認(rèn)為L(zhǎng)DHs-B 的晶粒尺寸更小,比表面積更大,所以更易于吸附。 LDHs-B 對(duì)氯離子的飽和吸附量為78.69 mg/g,遠(yuǎn)大于LDHs-A 的45.41 mg/g,這也再次證明了硝酸根插層的鎂鋁類水滑石比碳酸根插層的鎂鋁類水滑石吸附效果好。

2.2.5 類水滑石除氯機(jī)理探究

為了進(jìn)一步探究LDHs-A 和LDHs-B 的除氯機(jī)理,采用XRD 測(cè)試吸附后的LDHs-A 和LDHs-B,分析類水滑石在吸附氯離子前后晶格結(jié)構(gòu)及參數(shù)是否發(fā)生變化及變化程度。 采用傅里葉變換紅外光譜測(cè)試吸附后的LDHs-A 和LDHs-B,分析類水滑石在吸附氯離子前后表面官能團(tuán)是否發(fā)生變化及變化程度。吸附后的樣品分別記為L(zhǎng)DHs-A-Cl 和LDHs-B-Cl,圖9 為吸附前后類水滑石的XRD 圖譜,圖10 為吸附前后類水滑石的傅里葉變換紅外光譜圖。 表3 為吸附前后類水滑石的晶格參數(shù)。

表3 LDHs-A、LDHs-B 吸附氯離子前后的晶格參數(shù)Table 3 Lattice parameters of LDHs-A and LDHs-B before and after adsorption of chloride ions

圖9 LDHs-A、LDHs-B 吸附氯離子前后的XRD 圖譜Fig.9 XRD patterns of LDHs-A and LDHs-B before and after chloride ion adsorption

圖10 LDHs-A、LDHs-B 吸附氯離子前后的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.10 Fourier transform infrared spectra of LDHs-A and LDHs-B before and after chloride ion adsorption

由圖9 及表3 可知,在吸附氯離子后,LDHs-A-Cl和LDHs-B-Cl 的X 射線衍射圖譜仍具有代表類水滑石層狀結(jié)構(gòu)的特征衍射峰。 其中LDHs-A 的(003)衍射峰對(duì)應(yīng)的衍射角從11.679°增加到11.698°,層間距從0.757 nm 減小到0.756 nm,衍射峰強(qiáng)度從5 120減小到4 724;LDHs-B 的(003)衍射峰對(duì)應(yīng)的衍射角從10.941°增加到11.140°,層間距從0.808 nm 減小為0.794 nm,衍射峰強(qiáng)度從1 982 減小到1 521。 分析認(rèn)為L(zhǎng)DHs-A 吸附氯離子的過(guò)程發(fā)生了離子交換,離子半徑為0. 270 nm 的碳酸根離子與離子半徑為0.168 nm 的氯離子交換導(dǎo)致層間距減小,但層間距變化程度很小,說(shuō)明碳酸根離子較難與氯離子發(fā)生交換。 LDHs-B 吸附氯離子的過(guò)程也發(fā)生了離子交換,離子半徑為0.200 nm 的硝酸根離子與離子半徑為0.168 nm 的氯離子交換導(dǎo)致層間距減小且層間距變化程度較大,說(shuō)明硝酸根離子較易與氯離子發(fā)生交換。 進(jìn)一步證明硝酸根插層的鎂鋁類水滑石比碳酸根插層的鎂鋁類水滑石除氯效果好。

分析圖10 可知,LDHs-A 和LDHs-B 吸附氯離子前后傅里葉變換紅外光譜圖基本相同,僅有若干吸收振動(dòng)峰發(fā)生變化,LDHs-A 位于784 cm-1處的與層板上羥基對(duì)應(yīng)的伸縮振動(dòng)峰藍(lán)移2 cm-1,位于1 353 cm-1處的伸縮振動(dòng)峰藍(lán)移了0.2 cm-1,并且吸收峰強(qiáng)度都發(fā)生減弱,分析認(rèn)為L(zhǎng)DHs-A 層板上的羥基與氯離子發(fā)生反應(yīng),小部分層間的與氯離子發(fā)生離子交換。LDHs-B 位于1370cm-1處的NO-3振動(dòng)吸收峰藍(lán)移0.7cm-1,位于3483cm-1處的與層間羥基對(duì)應(yīng)的伸縮振動(dòng)峰紅移0.4 cm-1,并且吸收峰強(qiáng)度都發(fā)生減弱,分析認(rèn)為L(zhǎng)DHs-B 層間的羧基和NO-3與氯離子發(fā)生反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)以尿素和氫氧化鈉為堿源,采用水熱法分別制備出的LDHs-A 和LDHs-B 兩種鎂鋁類水滑石均具有典型的類水滑石層狀結(jié)構(gòu)特征,結(jié)晶度高且晶型完整,層間陰離子分別為和NO-3,層間間距分別為0.76 nm 和0.80 nm,結(jié)果表明層間間距大對(duì)氯離子吸附有利;LDHs-A 的顆粒形狀近似于六邊形,而LDHs-B 的則更接近橢圓形,LDHs-A 和LDHs-B 晶粒尺寸分別為1 000～2 000 nm、200～400 nm;LDHs-A和LDHs-B 的比表面積分別為40.804、62.609 m2/g,前者孔徑集中在3.45 nm 和2.08 nm 左右,后者孔徑集中在2.22 nm 左右,均為介孔材料。

(2)類水滑石加入量為12 g/L,初始溶液pH=7為最佳條件。 LDHs-A 初始階段的吸附速率非常快,吸附平衡時(shí)間為60 min,而LDHs-B 在吸附初始階段的吸附速率較慢,吸附平衡時(shí)間為350 min;隨著溶液初始濃度的增大,氯離子的去除率呈不斷下降的趨勢(shì),吸附量呈上升趨勢(shì),最大吸附量分別達(dá)到34.42 mg/g 和67.58 mg/g。

(3)動(dòng)力學(xué)方程的擬合結(jié)果表明,LDHs-A 對(duì)溶液中氯離子的吸附過(guò)程主要為物理吸附,而LDHs-B的吸附過(guò)程主要為化學(xué)吸附。 LDHs-A 和LDHs-B 對(duì)溶液中氯離子的吸附過(guò)程更符合Langmuir 吸附等溫模型,表明吸附過(guò)程屬于單分子層吸附。 LDHs-A 和LDHs-B 經(jīng)Langmuir 吸附等溫模型擬合所得飽和吸附量分別為45. 41 mg/g 和78. 69 mg/g。 吸附后LDHs-A 和LDHs-B 的層間距均有不同程度的減小且LDHs-B 層間距減小程度更大,說(shuō)明硝酸根離子較碳酸根離子更易與氯離子發(fā)生離子交換。